Desde un punto de vista físico, el sonido es una vibración que se propaga en un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso), generalmente el aire.
Es la sensación
producida en el oído por la vibración de las partículas que se desplazan (en
forma de onda sonora) a través de un medio elástico que las propaga.
Para que se
produzca un sonido se requiere la existencia de un cuerpo vibrante llamado
"foco" (una cuerda tensa, una varilla, una lengüeta...) y del medio
elástico transmisor de esas vibraciones, las cuales se propagan a su través
constituyendo la onda sonora. En ocasiones, para imaginar cómo se produce una
onda de este tipo se utiliza el símil mecánico que aparece representado a
continuación.
Si se hace vibrar
horizontalmente la primera masa, las restantes se mueven a su vez, oscilando
hacia adelante y hacia atrás, una tras otra, pudiendo ver así una onda que se
desplaza lo largo de la cadena de masas y muelles.
Este símil es una
imagen rudimentaria de cómo se transmiten las ondas sonoras, pero nos permiten
comprender que cuando un foco vibra en el aire, "obliga" a que las
partículas de ese medio entren a su vez en vibración, siempre con cierto
retraso con respecto a las anteriores. Su avance se traduce en una serie de
compresiones o regiones donde las partículas del medio se aproximan entre sí en
un momento dado y dilataciones o regiones donde las partículas estarán más
separadas entre sí. Debido a que estas compresiones y dilataciones avanzan con
la onda, podemos afirmar que una onda sonora es una onda de presión.
Como onda, el
sonido responde a las siguientes características:
1. Es una onda mecánica
Las ondas
mecánicas no pueden desplazarse en el vacío, necesitan hacerlo a través de un
medio material (aire, agua, cuerpo sólido).
Además, de que exista un medio material, se requiere que éste sea elástico. Un medio rígido no permite la transmisión del sonido, porque no permite las vibraciones.
La propagación de la perturbación se produce por la compresión y expansión del medio por el que se propagan. La elasticidad del medio permite que cada partícula transmita la perturbación a la partícula adyacente, dando origen a un movimiento en cadena.
2. Es una onda longitudinal
El movimiento de
las partículas que transporta la onda se desplaza en la misma dirección de
propagación de la onda.
3. Es una onda esférica
Las ondas sonoras
son ondas tridimensionales, es decir, se desplazan en tres direcciones y sus
frentes de ondas son esferas radiales que salen de la fuente de perturbación en
todas las direcciones. El principio de Huygens afirma que cada uno de los
puntos de un frente de ondas esféricas puede ser considerado como un nuevo foco
emisor de ondas secundarias también esféricas, que como la originaria,
avanzarán en el sentido de la perturbación con la misma velocidad y frecuencia que
la onda primaria.
Cualidades del sonido
Cualquier sonido
sencillo, como una nota musical, puede describirse en su totalidad
especificando tres características de su percepción: el tono, la intensidad y
el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres
características físicas: la frecuencia, la amplitud y la composición armónica o
forma de onda.
Existe una
distinción entre un sonido agradable y el ruido. Un sonido agradable está
producido por vibraciones regulares y periódicas. En cambio, el ruido es un
sonido complejo, una mezcla de diferentes frecuencias o notas sin relación
armónica que dan una sensación confusa, sin entonación determinada.
La altura o tono
Los sonidos
musicales son producidos por algunos procesos físicos como por ejemplo, una
cuerda vibrando, el aire en el interior de un instrumento de viento, etc. La
característica más fundamental de esos sonidos es su "elevación" o
"altura", o cantidad de veces que vibra por segundo, es decir, su
frecuencia. La frecuencia se mide en Hertz (Hz) o número de oscilaciones o ciclos
por segundo. Cuanto mayor sea su frecuencia, más aguda o "alta" será
la nota musical.
La altura es una
propiedad subjetiva de un sonido por la que puede compararse con otro en
términos de "alto o "bajo". Los sonidos de mayor o menor
frecuencia se denominan respectivamente, agudos o graves; términos relativos,
ya que entre los tonos diferentes uno de ellos será siempre más agudo que el
otro y a la inversa.
Mientras que la
frecuencia de un sonido, es una definición física cuantitativa, que se puede
medir con aparatos sin una referencia auditiva, la elevación es nuestra
evaluación subjetiva de la frecuencia del sonido. La percepción puede ser
diferente en distintas situaciones, así para una frecuencia específica no
siempre tendremos la misma elevación.
La frecuencia de
las vibraciones de instrumentos de un mismo tipo es proporcional a sus
dimensiones lineales.
En el gráfico hay tres ejemplos de onda de tres sonidos: en el caso A hay mayor
frecuencia por lo tanto este sería un sonido agudo, en el caso B hay menos
frecuencia por lo tanto sería un sonido más grave con respecto al anterior, y
por último en el caso C es del de menor frecuencia por lo tanto sería el más
grave de los tres.
La intensidad
La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción.
Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.
Por ejemplo, en un medio perfectamente homogéneo, un sonido será nueve veces más intenso a una distancia de 100 metros que a una distancia de 300 metros. En la propagación real del sonido en la atmósfera, los cambios de propiedades físicas del aire como la temperatura, presión o humedad producen la amortiguación y dispersión de las ondas sonoras, por lo que generalmente la ley del inverso del cuadrado no se puede aplicar a las medidas directas de la intensidad del sonido.
En cuanto a la
intensidad que se muestra en el ejemplo anterior podríamos decir que el ejemplo A
corresponde a un sonido suave o piano como se indica en el lenguaje musical y
el ejemplo C a un sonido fuerte o forte, B se encuentra en un termino medio o
mezzo forte.
El timbre
Permite distinguir los sonidos producidos por los diferentes instrumentos. Más concretamente, el timbre o forma de onda es la característica que nos permitirá distinguir una nota de la misma frecuencia e intensidad producida por instrumentos diferentes. La forma de onda viene determinada por los armónicos, que son una serie de vibraciones subsidiarias que acompañan a una vibración primaria o fundamental del movimiento ondulatorio (especialmente en los instrumentos musicales).
Normalmente, al hacer vibrar un cuerpo, no obtenemos un sonido puro, sino un sonido compuesto de sonidos de diferentes frecuencias. A estos se les llama armónicos. La frecuencia de los armónicos, siempre es un múltiplo de la frecuencia más baja llamada frecuencia fundamental o primer armónico. A medida que las frecuencias son más altas, los segmentos en vibración son más cortos y los tonos musicales están más próximos los unos de los otros.
Un ejemplo
sencillo para entender este tema es el hecho de poder reconocer las voces de
las personas que nos rodean sin necesidad de verlos, ya que cada una tiene sus
propias características que las hace diferentes, aún sean éstas muy similares
como en el caso de hermanos o padres-hijos.
Hay sonidos que
por sus particulares características son fáciles de clasificar y diferenciar,
sin embargo, hay otros que requieren del escucha una mayor práctica para
aprender a reconocer esas pequeñas sutilezas que diferencian a unos de otros.
Desde la física
el timbre depende de la cantidad de armónicos (sonidos secundarios) que
acompañan al sonido fundamental y de la relación altura, duración intensidad.
Los armónicos contribuyen a la percepción auditiva de la calidad de sonido o timbre. A continuación veremos algunos ejemplos de sonidos con formas de onda diferentes.Para entender mejor cómo se descompone un sonido en diferentes armónicos, resulta fundamental entender el Análisis de Fourier o análisis armónico, tan estudiado en los cursos de ingeniería:
Desde el punto de vista de la física, significa, que una oscilación que no es armónica se puede representar como una combinación de oscilaciones armónicas, cada una con su propia amplitud, frecuencia y fase. El armónico fundamental es el de frecuencia más baja. Las frecuencias de los demás armónicos serán múltiplos de esta. Además la periodicidad de la oscilación estará dada por el período del armónico fundamental.
LA DURACIÓN
Es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido, está determinada por la longitud, que indica el tamaño de una onda, que es la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo); según esto podemos decir que por duración los sonidos pueden ser largos o cortos. Los únicos instrumentos acústicos que pueden mantener los sonidos el tiempo que quieran, son los de cuerda con arco, como el violín por ejemplo; los de viento dependen de la capacidad pulmonar, y los de percusión, de los golpes. La guitarra necesita, al igual que el piano, de un martilleo que golpee las cuerdas, y solo se escucha el sonido hasta que la cuerda deja de vibrar.
Magnitudes físicas del sonido
Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse mediante la Transformada de Fourier como una suma de curvas sinusoides, tonos puros, con un factor de amplitud, que se pueden caracterizar por las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del periodo (T), amplitud (relacionada con el volumen y la potencia acústica) y fase. Esta descomposición simplifica el estudio de sonidos complejos ya que permite estudiar cada componente frecuencial independientemente y combinar los resultados aplicando el principio de superposición, que se cumple porque la alteración que provoca un tono no modifica significativamente las propiedades del medio.
Velocidad del sonido
La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se transmite dicha propagación; presión, temperatura, densidad, humedad. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos mayor que en los gases, dada la densidad de las partículas que permite un mayor intercambio de energía cuando estas se encuentran más cerca.
La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20º) es de 343 m/s. La ecuación creada por Newton y posteriormente modificada por Laplace que permite obtener la velocidad del sonido en el aire teniendo en cuenta la variable de la temperatura es "331+(0,6 x Temperatura)".
En el agua (a 35 °C) es de 1493 m/s (a 22 C°) es de 1505 m/s.
En la madera es de 3990 m/s.
En el hormigón es de 4000 m/s.
En el acero es de 6099 m/s.
En el aluminio es de 5090 m/s.
En el vidrio es de 5190 m/s.
En la madera es de 3990 m/s.
En el hormigón es de 4000 m/s.
En el acero es de 6099 m/s.
En el aluminio es de 5090 m/s.
En el vidrio es de 5190 m/s.
FENÓMENOS ONDULATORIOS
Reflexión
Fenómeno por el cual una onda se refleja en un material no absorbente o parcialmente absorbente del sonido.
El eco se produce cuando este sonido es alterado por una constante que da como resultado un sonido que se refleja en un medio más denso y llega al oído de una persona con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos, respecto del sonido que recibe directamente de la fuente sonora.
Transmisión
Absorción
La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo, cuando el sonido incide sobre el material.Su valor varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida).
Refracción
Cuando un sonido pasa de un medio a otro, se produce refracción. La desviación de la onda se relaciona con la rapidez de propagación en el medio.El sonido se propaga más rápidamente en el aire caliente que en el aire frío.
Difracción o dispersión
Difusión
Si la superficie donde se produce la reflexión presenta alguna rugosidad, la onda reflejada no sólo sigue una dirección sino que se descompone en múltiples ondas. por ende el sonido viaja mas rapido en lugares frio que en lugares calidos
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